暗黒物質

宇宙を統べる
暗黒世界の神秘
宇宙の主な成分は正体不明の
暗黒エネルギーと暗黒物質だった！
１．宇宙の構造と観測
２．暗黒物質が存在する証拠
３．暗黒物質の候補となる素粒子
１．宇宙の構造と観測
•星の誕生の場である銀河は宇宙に一様に
分布しているわけではない。
•その分布は、宇宙の大規模構造と呼ばれる
“蜂の巣状”の構造を持っている。
•このような構造を見つけ出すために
用いられる観測手段はいかなるものなのか
自然界の構造
“大きさで見る”
～10
素粒子
-14
< 10
cm
～10
cm
原子・分子
原子核
-13
-8
cm
多様な物質
宇宙
～10
28
-5
cm
銀河・銀河団
10
22
～25
10 cm
星
10 ～
4
10 cm
6
10 ～
14
10 cm
各々の階層に特徴的な物理法則の存在
宇宙の階層構造
恒星
銀河
11
１０
１０ 個
例：太陽
2～3
-25
ρ～10
銀河団
個
g/cc
33
質量 M ～2×10 g
33
光度 L ～4×10 erg/sec
密度 ρ ～1 g/cc
泡状
大規模構造
ρ～10
超銀河団
-28
g/cc
2～3
１０ 個
30
ρ～10 g/cc
銀河の分布地図
我々の住む天の川銀河を中心とした銀河分布図
水平方向は銀河面にあたり、観測データが無い
“蜂の巣状構造”
銀河が壁状に集中
する領域と
銀河が存在しない
領域の共存
遠方の天体現象の背後に隠された諸性質を
解明するために、観測される量と観測の基本
原理を概説しておこう。
○ 各種望遠鏡を用いて天体の発する光
（電磁波）の強度やスペクトルを測定
○ 測定から決められる物理的な量
天体間の距離
天体の移動速度
天体の質量
天体の発する光の強度と
スペクトル（波長構造）
どの程度の分解能で見るかで物の見え方は違う
アンドロメダ座の場合
粗く見る
細かく見る
一様に見えるものも、細かく見れば構造が見えてくる
どの波長の光で見るかで物の見え方は違う
光の強度（光度）とスペクトル
•光度:単位時間に放出される光のエネルギー
•スペクトル:光の振動数構造
天体自身の性質と天体周辺の物理的情報
○ 星のエネルギーは核融合反応による
太陽の場合
光度～1026 cal/sec
100Wの白熱電球およそ
24
4×10
個分に相当
質量光度比
(質量)/(光度)～2×10
7
g･sec/cal
○ 吸収スペクトル等による物質環境の把握
スペクトル構造の変化から速度への情報
測定の基本原理 ： 距離
見かけの明るさ
真の明るさ
R
何らかの方法で
推定
明るさの比較
4πR
2
X
天体観測で使う距離の単位
18
パーセク(pc) 1pc = 3.08 x 10
cm = 3.26 光年
測定の基本原理 : 速度
観測される波長
スペルトルの
特定
光源の波長
天体の移動
ドップラー効果
天体の速度
観測される波長
光源の波長
V
測定の基本原理 ： 質量
V
M
と
m
R
の距離
の質量
の速度
ニュートンの運動法則
２．暗黒物質が
存在する証拠
•長年にわたる天体の観測から、天体運動
に関して奇妙な点が複数存在することが明
らかになってきた。
•これらの謎は、暗黒物質の存在を仮定す
ることで共通に解決できるものである。
•最新の観測結果も含めて紹介する。
①
銀河団の安定性に関する謎
何故バラバラに
○ かみのけ座銀河団内の銀河の運動 ならないのだ！
ツビッキーの疑問
（１９３３年）
「銀河の速さは大き過ぎて光って見える物質の
重力では銀河団として安定に存在し得ない。」
○ ガス団から放出される近年のX線観測にから、
ガス団の安定性に対しても指摘されている
② 銀河の回転曲線の謎
渦巻き銀河の周辺部の星の速さ
A
B
の
速
さ
重力
B
ドップラー効果等を使って
Bの速さを観測する
1
V ∝
R
Aからの距離
(a) 光って見える物質からの予想
（Aに質量集中）
B
の
速
さ
Aからの距離
(b) 観測結果
回転曲線を実現する星の速度から生み出される渦巻銀河
(b)の場合
(a)の場合
現実の渦巻き銀河
③ 各種天体における質量・光度比（質量/光度）
恒星
原子核反応を通してエネルギーを生成
質量と光度の関係を予想できる
「太陽系近くの星とそれほど違いはないだろう」
太
陽
を
銀河系
銀河団
基
準100
と
し
太陽近傍
た
10
質
量
光 1
度 100pc 1kpc 10kpc 100kpc 1Mpc
比
系の大きさ
観測結果
18
pc=3×10
光が不足！
光らない物質の存在？
cm
☆“光らない質量”の存在を仮定すると
これらの謎がうまく説明できる！
この“光らない質量”を暗黒物質、
あるいはダークマターと呼ぶ。
☆ 予想される暗黒物質の存在形態
銀河を浸し取り巻く
ハローとして存在する。
３
3
3cm
中
水素原子約1個分の質量
ハロー
銀河
より直接的な形で観測される暗黒物質の存在
重力レンズ効果
重力により光の経路が曲げられ、光源の無い場所が
光って見える
巨大重力源
光源
光らない重力源の存在確認になる
を観測
重力レンズ効果でとらえられたMacho
(Macho : Massive Compact Halo Object
銀河系のハローの中に存在する小さな天体)
銀河系にはこのような光をほとんど発しない
天体が存在する。Macho以外にもブラックホール、
褐色矮星などがある。
アベル銀河団1689で観測された重力レンズ効果
青い弧が背景銀河の
重力レンズ効果に
よる像
黄色輝く銀河の生み出す重力はこの像を生み出す
のに必要な重力の1％に過ぎない
最近の観測の観測が明らかにした暗黒世界
① 宇宙背景放射の観測（WMAP）
人工衛星搭載の
望遠鏡を使用
宇宙背景放射の
揺らぎの構造の
詳細な観測
暗黒物質について精度の高い定量的なデータが得ら
れるようになった
② 遠方の超新星の観測
Ia型超新星
星進化の最終段階で起こる爆発現象
現在の宇宙が加速膨張していることを示す
宇宙の加速膨張を説明するには特別な性質を持つ
エネルギーを持つエネルギーが、現在の宇宙の全
エネルギーの大部分を占める。これは、暗黒エネ
ルギーと呼ばれる。
宇宙を満たすエネルギーの
形態と割合
通常の物質は全エネルギーの
４％に過ぎない
３．暗黒物質の
候補となる素粒子
•暗黒物質は、陽子や中性子のような通常の物質
から構成される天体ではなく、宇宙初期に宇宙を
満たしていた素粒子の一部と考えられる。
•そのような素粒子の満たすべき性質と、現在の
宇宙に多量に残存することになった理由を考える。
•暗黒物質の性質が、銀河の分布を決定した。そ
の性質とは何か？
暗黒物質に要求される３つの性質
① 光らない（電磁相互作用をしない）
② 質量を持ち重力を感じる
③ 多量に安定に存在する
①②について、既知の素粒子にその候補が
存在するかを調べていく
③は、膨張宇宙の中での素粒子反応を考える
ことで説明されることを見る
光らない
その物質は電荷を持たず、あらゆる
波長領域に渡って光を感じない。
普通、光（可視光）と呼ばれるものは特定の波長領域の
電磁波のことで、他の波長領域は次のように呼ばれる。
X線
γ線
紫外線
短
可視光
波長
赤外線
？
電波
長
？
？
？
電磁相互作用をしない。
このような素粒子が存在するのか？
素粒子の標準模型
相互作用の媒介粒子
物質粒子
第一世代 第二世代
ク
ォ
｜
ク
アップ
チャーム
第三世代
トップ
強い相互作用
グルーオン
電磁相互作用
ダウン ストレンジ ボトム
レ
ミュー
タウ
プ 電子
ニュートリノニュートリノニュートリノ
ト
ン
電子
ミューオン タウオン
光子
弱い相互作用
Ｗボソン Ｚボソン
ニュートリノ：電荷を持たない唯一の
物質粒子
素粒子の相互作用
相互作用の
種類
強い相互作用
相互作用の
伝達粒子
グルーオン
相互作用の
大きさの目安
相互作用を
受ける粒子
力は粒子の交換によって生じる
電弱相互作用
電磁相互作用
光子
重力相互作用
弱い相互作用
Ｗ、Ｚ粒子
－２
１
１０
クォーク
荷電粒子
－５
１０
クォーク
レプトン
重力子
－４０
１０
質量を持つ
粒子
ニュートリノは暗黒物質か？
• 電磁気的な相互作用をしないニュートリノが、
質量を持つことはニュートリノ振動実験を通して
明らかになった。
• ニュートリノは、条件の①②を満たし、暗黒物
質の候補となる可能性が存在する。
• ニュートリノが暗黒物質の正体であるかをどう
かを判定するために、暗黒物質の性質と暗黒物質
がもたらす宇宙の構造の関係に注目しよう。
暗黒物質の性質は、宇宙膨張の過程でその
粒子がどのように取り残されてきたかで決
まる。
膨張宇宙の初期において
宇宙全体は素粒子の熱いスープで満たされていた
様々な素粒子の生成･消滅が繰り返される世界
温度 T
運動エネルギー
（温度Tに比例）
＞質量エネルギー
( E = mc 2 )
反応は可逆
熱平衡
宇宙の膨張に伴う素粒子の孤立化（脱結合）
温度の低下
宇宙の膨張の速さ ＞ 素粒子反応の速さ
！
！
！
？
？
？
？
！
！
！
は脱結合
対生成・対消滅なし
脱結合後は安定な
粒子はそのまま残留
•暗黒物質が宇宙に多量に存在する理由は、
ある種の素粒子である場合、宇宙膨張の
ある時期における候補となる素粒子の
脱結合（熱平衡からの離脱）の結果として
説明できる。
•脱結合の起こり方で、暗黒物質は
大きく２つに分類され、その性質が宇宙の
構造に大きく関わる。
脱結合した素粒子の性質
脱結合時の温度 ＞ 質量
粒子の速さ ～ 光の速さ
熱い残留物質
脱結合時の温度 ＜ 質量
粒子の速さ ≪ 光の速さ
冷たい残留物質
温度、質量
残留物質としての暗黒物質の性質が、宇宙
の構造、大規模構造を決めることになる。
暗黒物質は多量に存在し，星や銀河のもと
になる物質（ガスや塵）を重力により引き
寄せる。
暗黒物質の宇宙空間における分布が、
銀河の分布（大規模構造）を決定する。
構造の成長を特徴づける2つの要因
重力による引力
密度の大きいところに
集まる。揺らぎの増大
素粒子のランダムな運動
宇宙の膨張
密度の均一化、揺らぎの減少
熱い暗黒物質と冷たい暗黒物質
熱い暗黒物質の作る大規模構造
銀河団
の形成
分裂による
銀河の形成
• 銀河の形成に難点
形成時期が遅れすぎる
冷たい暗黒物質の作る大規模構造
銀河の
形成
銀河団の形成
• 銀河がうまくできる
•大規模構造の説明に難点
ニュートリノは暗黒物質の主要成分ではない
• ニュートリノの脱結合時の温度はニュートリノ
質量に比べて十分高く、ニュートリノは熱い
暗黒物質として振舞う。
• その結果、ニュートリノが暗黒物質であるとし
た場合、ニュートリノによって作られる宇宙の
大規模構造は銀河団程度の大きさになり、銀河
の形成の説明に困難をきたす。
• このため、ニュートリノは暗黒物質の主要成分
ではありえない。
新たな暗黒物質候補となる素粒子の導入が
必要となっている。
冷たい暗黒物質から作られる大規模構造
冷たい暗黒物質の密度揺らぎを種に銀河のもとと
なる陽子や中性子などで構成される物質群が集まり、
銀河のもとが作られた
暗黒世界が現在の宇宙の構造を決め、宇宙
のこれからの姿をも決定する！
• 暗黒物質が銀河分布などの宇宙の構造を決めたと考えら
れる。その存在は宇宙観測を通して定量的に知られるよ
うになってきたが、その正体は依然不明である。
• 暗黒物質の有力な候補は宇宙初期に熱的平衡状態にあっ
た素粒子であると考えられているが、もしそうであるな
らば、現在の素粒子模型は拡張されなければならない。
また、宇宙の構造は、自然界の最も小さな世界の性質に
よって決定されたことになる。
• 暗黒エネルギーは、現在の宇宙のエネルギーの大半を占
めると考えられる。この未知のエネルギーは今後の宇宙
の姿を決定するものであるが、その正体については全く
分かっていない。
• これらの問題の解明は21世紀の物理における最大の課題
の一つといえるだろうし、新たな未知の物理の扉を開く
きっかけとなるかもしれない。